Почему летает самолет
материал по физике (7 класс)

Почему летает самолет

Физика на сегодняшний день одна из самых древних наук естественно-научного цикла, упоминания о которой встречаются ещё у древнегреческого учёного Аристотеля (6 век до н. э.). Но в тоже время классические законы физики считаются основой всего современного естествознания.

Физику можно назвать наукой о природе в самом общем смысле этого слова. Она изучает вещество или материю, энергию, общие виды взаимодействия сил природы.

Оглянемся вокруг себя и поймём, что физические явления окружают нас с детства, что мы многие физические знания о мире приобретаем наряду с обычным житейским опытом.

Уже давно человек устремил свой взгляд в небо. А там великое множество чего-то нового, необычного: тучи и облака, радуга и северное сияние, солнце и луна, гром и молния. То есть там, в голубом небе, существуют всё те же физические явления: механические, тепловые, электрические, световые и другие. Сегодня мы рассмотрим, как связаны физические явления с авиацией.

Физических явлений,  связанных с авиацией очень много, но в силу ограниченности нашего времени я останавлюсь на одном из них. Я думаю, вам, как и мне, интересно, каким образом многотонный самолет отрывается от земли и поднимается в небо. Тема нашей встречи: подъёмная сила.

Для осуществления полета любых летательных аппаратов они должны преодолевать силу земного притяжения, т. е. в процессе полета создавать подъемную силу, превышающую силу притяжения Земли.

Всего существует 3 основных принципа создания подъёмной силы: реактивно-ракетный, аэростатический и аэродинамический. Последний принцип является самым распространённым. Он характерен для летательных аппаратов тяжелее воздуха, а именно для самолётов различного типа. Его суть в том, что подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки.

Но прежде чем рассматривать механизм образования подъемной силы, вспомним об одном замечательном физике и его законе. Даниил Бернулли - швейцарский физик-универсал, механик и математик, один из создателей кинетической теории газов, гидродинамики и математической физики. Академик и иностранный почётный член (1733) Петербургской академии наук, член Академий: Болонской, Берлинской, Парижской, Лондонского королевского общества. Сын Иоганна Бернулли. Закон, о котором мы будем говорить, открыт им в 1738 г.

 Пусть неразрывная жидкость течет без трения по трубе переменного сечения. Иначе говоря, через все сечения трубы проходят одинаковые объемы жидкости, иначе жидкости пришлось бы либо разорваться где-нибудь, либо сжаться, что невозможно. За время tчерез сечение S1 пройдет объем V1 = S1·l1 = S1 1t,а через сечение S2 - объем V2 = S2·l2 = S2 2t .

Чем меньше сечение трубы, тем больше скорость течения жидкости. При переходе из одной трубы в другую скорость жидкости увеличилась, значит силы, действующие на жидкость c разных сторон в сечении S, разные.

Давление текущей жидкости больше там, где ее скорость меньше, и наоборот. Запомним это вывод.

Уже очень давно люди заметили, что у птиц крылья не плоские, а в 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Подъёмная сила крыла (обозначим её F) возникает благодаря тому, что поперечное сечение крыла представляет собой чаще всего несимметричный профиль с более выпуклой верхней частью. Крыло самолёта или планера, перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть струек встречного потока воздуха пойдёт под крылом, другая – над ним.

 Так как у крыла верхняя часть  более выпуклая, чем нижняя, следовательно, верхним струйкам придётся пройти больший путь, чем нижним. Однако количество воздуха, набегающего на крыло и стекающего с него, одинаково. Значит, верхние струйки, чтобы не отставать от нижних, должны  двигаться быстрей. Согласно рассмотренному нами закону Бернулли давление газа, протекающего по поверхности, больше там, где скорость его движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Давление под крылом больше, чем над крылом. Эта разность давлений и создаёт аэродинамическую силу R, одной из составляющих которой является подъёмная сила F.

Величина подъёмной силы зависит не только от взаимодействия между крылом и воздухом. Она также зависит от угла, под которым воздух дует на крыло. Этот угол называется углом атаки. Подъёмная сила крыла тем больше, чем больше угол атаки, кривизна профиля, площадь крыла, плотность воздуха  и скорость полёта ν, причём от скорости подъёмная сила зависит в квадрате.

Однако, если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то помимо подъёмной силы, старающейся поднять пластину, возникает сила сопротивления, пытающаяся «сдуть» её назад.

Получается, что чем больше угол атаки, тем больше и подъёмная сила, и сила сопротивления. Так каким же должен быть угол атаки, чтобы эти силы находились в эффективном балансе? Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше, то подъёмной силы будет недостаточно для совершения полёта, а если больше, то сопротивление будет настолько большим, что крыло будет выполнять роль паруса.

Подъёмная сила летательного     аппарата, уравновешивая его  вес, даёт возможность осуществлять полёт, лобовое же сопротивление тормозит его движение. Лобовое сопротивление преодолевается силой тяги, развиваемой силовой установкой. Силовая установка самолёту нужна для развития подъёмной силы и для перемещения в пространстве. Чем больше     скорость, тем больше подъёмная сила. На современных самолётах крылья делают стреловидной конструкции для того, чтобы крыло не разрушалось в полёте от лобового сопротивления.

Возможно, вам интересно, почему самолет смог взлететь только в 1903 году? А дело вот в чем: вполне можно было бы сделать первый полет и раньше, но долгое время ученые были запутаны, как высчитать подъемную силу и какое должно быть крыло самолета, его длина?

Согласно классической физике и согласно законам Ньютона подъемная сила была пропорциональна углу атаки во второй степени, что приводило к выводу о том, что невозможно сделать крыло малого размаха с хорошими несущими характеристиками. Мы можем представить себе обычную параболу у=х2  и получаем, что, например, для подъемной силы равной 2 нужно достичь угла атаки в 4, а для хорошего полета необходимо подъемная сила и в 4, 5, 6… сложно иногда даже будет подсчитать угол атаки, а если он еще и окажется в критической зоне? 

  Эта путаница продолжалась вплоть до конца 19 века, и только после многих экспериментов Бернулли и других ученых было установлено, что эта зависимость – прямолинейная (!), а уже базируясь на таких выводах, можно было строить крыло малого размаха с удовлетворительной подъемной силой.

Первыми это сделали братья Райт в 1903 году.

Аэродинамический принцип создания подъемной силы был изложен Николаем Егоровичем Жуковским в1904 г. так: «...двигаясь под малым углом к горизонту с большой горизонтальной скоростью, наклонная плоскость сообщает громадному количеству последовательно прилегающего к ней воздуха малую скорость вниз и тем развивает большую подъемную силу вверх при незначительной затрате работы на горизонтальное перемещение». Следовательно, для создания подъемной силы по этому принципу необходимо перемещение тела относительно воздуха.

Таким образом, подъёмная сила – это сила, возникающая при перемещении несущей поверхности относительно воздуха и направленная на преодоление силы притяжения, а также зависящая от формы крыла и его угла атаки. Она является неотъемлемой частью современной авиации, так как без неё ни один авиатранспорт не сможет взлететь, не говоря о совершении авиаперелётов.